Das Pariser Klimaabkommen 2015: Ein Nachweis für eine mögliche Dekarbonisierung des österreichischen Straßengüterverkehrs bis 2050 1 (Zusammenfassung zur Präsentation, stattgefunden in der 10. Internationalen Energiewirtschaftstagung in Wien (IEWT2017), am 15.- 17.02.2017; Autor: Ing. Winfried Neuhauser) 1. Einleitung Der weltweite Klimawandel, der durch den jahrhundertelangen Ausstoß von anthropogenem Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder Methan verursacht werden, soll durch das Pariser- Klimaabkommen, das von 195 teilnehmenden Staaten auf der Weltklimakonferenz 2015 in Paris beschlossen wurde, gestoppt werden. Ziel ist die Reduzierung der jährlichen Treibhausgasemission um 80-95% bis zum Jahr 2050 gegenüber 1990. Die meisten Studien prognostizieren eine wachsende Wirtschaft und einen wachsenden Energiebedarf für die kommenden 30 Jahre. Dies steht im Widerspruch zu den Klimaschutzzielen. Energie wird nach wie vor hauptsächlich durch Verbrennung von fossilen Energieträgern erzeugt. Das Abgas mit CO 2 als Hauptbestandteil gelangt in die Atmosphäre und fördert die Erderwärmung. Österreich ist in der glücklichen Lage, jetzt schon einen sehr hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen durch seine unzähligen Wasserkraftwerke im Energieproduktionssektor zu haben. Nicht aber beim Verkehr. 2. Fragestellung Der Verkehrssektor ist in Österreich mit knapp 30% der zweitgrößte Treibhausgasverursacher. Davon werden knapp 45% vom Straßengüterverkehr, d.h. von Lastkraftwagen schwerer als 3.5t, verursacht. Bei schweren Nutzfahrzeugen kommen heute als Antrieb fast ausschließlich Dieselmotoren zum Einsatz. Die Fragestellung ist, wie kann man den diesel-lastigen Schwerverkehr bis 2050 durch bestehende bzw. absehbare Technologien und Ressourcen dekarbonisieren? 3. Ausgangssituation Es wird davon ausgegangen, dass der Energiebedarf trotz steigender Energieeffizienz zunehmen wird und die Eisenbahn nur begrenzt Gütertransporte übernehmen kann. Zunächst wurden im Rahmen einer Technologiecharakterisierung alternative Kraftstoffpfade bezüglich ihres Vorkommens, deren Herstellung, Verteilung und Potenzials, und die Antriebskonzepte bezüglich ihrer derzeitigen und zukünftigen technischen Eigenschaften analysiert. Es wurden Biokraftstoffe der ersten und zweiten Generation (SNG, FT-Kraftstoffe), elektrische Energiequellen und die Wasserstoffherstellung untersucht. Fünf Antriebskonzepte werden als Alternativen miteinander verglichen.
4. Ergebnisse Die Alternativantriebe, ihren Primärenergieträger und das Potenzial für 2050 sind wie folgt zusammengefasst: Antriebsart Abk. Energieträger Primärenergieträger Potenzial [TWh] 1 Biogasantriebe ICEV Bioerdgas, SNG Biomasse (1. Gen.) / Elektrische Energie + CO 2 (2. Gen.) 2 Biodiesel-antriebe ICEV Biodiesel, Synthetischer Diesel Biomasse, Schlachtabfälle, Altspeiseöl / elektrische Energie + CO 2 (2. Gen.) 16,90 / 117,5 17,15 / 117,5 FCEV Wasserstoff Elektrische Energie + Wasser 117,5 4 Batterieantrieb BEV Elektrische Energie Elektrische Energie 117,5 5 Elektro-Hybrid per 3 Brennstoffzellenantriebe OC- GIV Biogas oder Biodiesel Elektrische Energie aus erneuerbare Quellen, Biomasse 117,5 / 16,90 2 Tab. 4-1: Auflistung der alternativen Antriebe und deren Energieträger und Potenziale (Quelle: eigene Darstellung) Die elektrische Energie stammt aus erneuerbaren Energiequellen. Sie wird als Primärenergieträger gesehen. Somit werden die variablen Wirkungsgrade der Solarpaneele oder Windkraftanlagen berücksichtigt. Die Höhe des verfügbaren Potenzials ist abhängig von der Herstellungsart des Energieträgers. Für Biogas oder Biodiesel aus erster Generation besteht ein begrenztes Potenzial an Biomasse, da dabei die Nachhaltigkeit und der Teller-Tank-Konflikt zu berücksichtigen ist. Energieträger zweiter Generation d.h. aus synthetischer Herstellung, benötigen Rohstoffe wie Wasser, CO 2 aus Industrie oder Atmosphäre und elektrische Energie. Bei der OC-GIV-Hybrid-Variante werden elektrische Energie für jene Strecke mit und Bioerdgas- oder Biodiesel für den Hybrid angegeben. Durch die ermittelten Wirkungsgrade von Well-to-Wheel (WTW) kann der tatsächliche Bedarf an Energieträgern ermittelt und mit dem Potenzial verglichen werden. Mit der Energiemenge wurden die CO 2 -Bilanz und das Einsparungspotenzial gegenüber konventionellem Dieselantriebe ermittelt: Antriebsart Wirkungsgrad [%] Energiebedarf WTW 2050 [TWh] Umwandlungsverfahren CO 2 -Einspar- Potenzial [%] - Dieselantrieb 35 12,54 Raffination - 1 Biogasantrieb 17-30 13,4 27,7 Dampfreformierung Vergasung PtG 2 Biodieselantrieb 19-27 13,6 22,34 Veresterung BtL PtL 3 Brennstoffzelle 33 13,4 Elektrolyse 91 4 Batterieantrieb 72 6,96 Erneuerbare Energie 95 5 Elektro-Hybrid per Tab. 4-2: Ergebnisse der alternativen Antriebe (Quelle: eigene Darstellung) 68 5,63 Erneuerbare Energie 92 17-34 3,33 od. 5,26 Siehe Option 1-3 33-91 41 bis 94 33 bis 91
Der Energiebedarf bezieht sich auf das Jahr 2050, die CO 2 -Einsparung ist im Vergleich zur dzt. Emission durch fossile Kraftstoffe. Es zeigt sich, dass je kürzer die Herstellungskette, desto höher sind der Wirkungsgrad und die Effizienz. Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer ist der Primärenergiebedarf und die CO 2 -Emission auf dem Herstellungspfad. Demzufolge ist der Einsatz von Bioerdgas und Biodiesel erster Generation die schlechteste Alternative. Die Powerto-liquide-Herstellung (PTL) mit Einsatz von erneuerbarer Energie verspricht im Vergleich zur herkömmlichen Herstellung von Biodiesel durch Beanspruchung von Anbauflächen die größere THG-Einsparung. Alleine schon deshalb klimaschonender, weil durch PtL und PtG aktiv CO 2 aus der Atmosphäre oder Industrieanlagen abgezogen wird. Der Wasserstoff hat einen guten Wirkungsgrad beim Antrieb und in der Elektrolyse, jedoch einen hohen Strombedarf bei der Herstellung. Die effektivsten Antriebe sind die elektrisch-betriebenen mit einem CO 2 - Einsparungspotenzial von über 90 % und einem Energiebedarf von der Hälfte des herkömmlichen Dieselantriebs. Eine Gegenüberstellung von Energiebedarf und Potenzial ist wie folgt dargestellt: 3 120 100 80 60 40 20 0 111,7 111,7 111,7 111,7 111,7 27,5 16,9 15,44 0,25 13,4 16,9 6,96 9 0 0 Primärenergiebedarf Potenzial Biomasse Potenzial elektrische, erneuerbare Energie Abb. 4-1: Primärenergiebedarf vgl. Potenzial 2050 in (TWh) Man kann feststellen, dass die Biomasse für die 1. Generation nicht ausreichen würde den Bedarf zu decken. Es müssen daher Anlagen für die strombasierte, synthetische Herstellung (BTL, PTG, PTL) errichtet werden. Deren Energieressource ist erneuerbare elektrische Energie. Bei der ermittelten Menge an Energieträgern fallen Kosten an, sowohl für den Hersteller als auch für die Transportunternehmen. Die Herstellkosten setzen sich zusammen aus Rohmaterial, Betriebs- und Investitionskosten. In der folgenden Tabelle werden die jährlichen Herstellkosten und die Energiekosten je Kilometer und Tonnenkilometer aufgereiht: Antriebsart Abk. Herstellkosten pro Jahr [Mill. ] Energiekosten je km (bei 42% NL) [ cent/km] Energiekosten je tkm [ cent/t km] - Dieselantrieb ICEV 963 1.110 27 31 2,4 2,8 1 Biogasantrieb ICEV 683 2.123 20 61 1,8 5,5 2 Biodieselantrieb ICEV 410 1.859 16-51 1,5 4,6 3 Brennstoffzelle FCEV 230-859 6 23 0,5 2,1 4 Batterieantrieb BEV 310-620 7 14 0,6 1,3 5 Elektro-Hybrid per OC- GIV 328-695 10 23 0,9 2,1 Tab. 4-3: Kostenbetrachtung der alternativen Antriebe (Quelle: eigene Darstellung)
Es lässt sich eine Kostensenkung in Richtung elektrische Antriebe feststellen. Der Elektro-Hybrid kostet ca. ein Drittel weniger als der Dieselantrieb. Was hier noch nicht berücksichtigt wurde, sind die Investitionskosten für Unternehmer und Infrastruktur. Diesbezüglich gibt es noch sehr wenig Erfahrungen und konkrete Zahlen, da es noch keine Industrialisierung dieser Anlagen gibt, sondern nur Pilotprojekte. Was technisch gesehen am weitesten fortgeschritten und teilweise bereits kommerziell betrieben wird, sind biodiesel- und biogasbetriebene Fahrzeuge. Optionen 3-5 gibt es faktisch noch nicht auf dem Markt. Eine grobe Abschätzung der Kosten für Transportunternehmen und Versorgungsinfrastruktur im Vergleich zu dem heute etablierten Dieselversorgungssystem zeigt, dass die weniger technisch entwickelten, strombasierten Antriebe (Optionen 3-5) sowohl für Unternehmer als auch für Infrastruktur bzw. Bereitstellung die höchsten Investitionskosten, jedoch die geringsten variablen Kosten für den Betrieb verursachen würden. Zum Beispiel würde sich ein OC-GIV für den Unternehmer schon nach dem ersten Jahr rechnen. Man kann davon ausgehen, dass die Bereitstellungskosten der fossilen Kraftstoffe aufgrund der immer unkonventioneller werdenden Fördermethoden des Rohöls in den nächsten Jahren rapide in die Höhe gehen, während sich die Kosten für die Alternativen durch Weiterentwicklung der Technologien und der Industrialisierung der Herstellung nach unten gehen werden. Besonders in der Batterietechnologie kann von einer deutlichen Kostendegression ausgegangen werden. 4 5. Schlussbewertung Letztendlich wurden die 5 Optionen bewertet. Unter drei Gesichtspunkten wurden sie beurteilt: Klimaschutz, Ökonomie und Ökologie. Zusammengefasst ergibt sich folgendes Bild: Bioerdgas (ICEV-CNG) Bioerdgas (ICEV-LNG) Biodiesel (ICEV) Wasserstoff (FCEV) Batterie (BEV) (OC-GIV) Bewertungszahl 103 99 128 119 137 131 Tab. 5-1: Gesamtbewertung der Alternativen Antriebsoptionen für SNF (Quelle: eigene Darstellung) Die Höhe der Punktezahl zeigt, dass Biogasantriebe mit Gas in verflüssigter Form trotz ihrer vielfältigen Herkunft des Substrates die schwächste Bewertung erhält. Die elektrischbetriebenen Optionen erhalten die höchsten Bewertungen, weil sie trotz hohen Investitionskosten alle Klimaschutzziele voll erfüllen können. Für den Nahverkehr eignet sich der batteriebetriebene LKW, für den Fernverkehr unter der Voraussetzung, dass 80% der Kilometer auf den Autobahnen zurückgelegt werden, der s-lkw mit Biodiesel bzw. Biogas als Hybrid.
Kurzbiographie des Autors: Name: Ing. Winfried Neuhauser, MBA 5 Studium: Energie- und Umweltmanagement, MBA Universität: KMU Akademie & Management AG, Linz und Middlesex University, London Beruf: Qualitätsmanager, Auditor für Managementsysteme / Energiemanager Tätig bei: Siemens AG 6 Jahre, Thyssen Krupp GmbH 2 Jahre, u.a. Kontakt: winfried.neuhauser@gmail.com, Tel: +436702063453